Совершенствование технологии коллагеновой субстанции из рыбного сырья для получения пористых материалов для косметологии и медицины

Совершенствование технологии коллагеновой субстанции из рыбного сырья для получения пористых материалов для косметологии и медицины: Л. В. Антипова¹, И.В. Сухов¹ , В.С. Слободяник¹, И.И. Котов² ,

¹Воронежский государственный университет инженерных технологий, 19, проспект Революции, Воронеж, 394036, Российская Федерация

² ООО НПО "Велис", 356206, Ставропольский край, Шпаковский район, поселок Приозерный, Молодежная улица, дом 4, квартира 4

Оригинал статьи можно скачать по ссылке.

Авторами исследования изучена возможность применения нескольких способов получения коллагенсодержащей основы, представляющей собой гидрат коллагена, полученный с использованием органических кислот. Коллаген - уникальный белок входящий в состав разнообразных соединительных тканей живых организмов. Форма его представляет собой уникальную трехспиральную структуру, состоящую из молекулы специфического набора аминокислот. Он имеет огромное практическое значение для косметологии и медицины. Коллаген один из самых распространенных белков в живых организмах. Значительная доля коллагена сосредоточена в кожных покровах. Известные способы получения коллагенового продукта связанна с применением органических кислот для разволокнения. После обработки коллагеновый продукт обладает высоким влагопоглащающим свойством. Подбор концентрации и вида органической кислоты дает возможность получить продукт с необходимыми характеристиками функционально-технологических свойств. Важно что они положительно влияют на состояние человеческого организма, а так же открывают возможность варьирования свойств для целенаправленного применения в косметологии и медицине. Полученные коллагеновые субстанции дают спектр концентраций, необходимый для конкретных целей, обладают высокой гидрофильностью, создают условия для получения различных форм(дисперсий, пленочные материалы и губки) с последующем применении в косметологической и медицинской промышленности .

1. Введение

Роль коллагеновых субстанций в разных секторах экономики известна, однако их производство в Росси практически отсутствует. В последнее время появились сведения о преимуществах и возможностях коллагена рыбного происхождения, в том числе из рыб внутренних водоемов.[1,2] Существуют разные формы коллагеновых субстанций в виде гидролизатов и гидратов. Гидролизаты обладают, высокой стоимостью, так как в процессе производства используются дорогостоящие ферментные препараты, кислоты щелочи, а процесс многостадиен и продолжителен. Гидраты получают с помощью слабых растворов органических кислот, что сохраняет целостность коллагенового волокна и его природные свойства. В настоящее время шкуры прудовых рыб –отходы рябоперабатывающей отросли не востребованы в основном производстве. Авторы настоящей работы предлагают перерабатывать шкуры толстолобика с последующим получением коллагенновых продуктов, обладающих рядом функциональных свойств, таких как высокая влагоемкость, способность благоприятно влиять и интенсифицировать процесс кожного синтеза омоложения соединительной ткани[1,2,3,4]. Однако коллагеновый продукт, получаемый известным способом с использованием уксусной кислоты (патент РФ № 2358450) обладает рядом недостатков таких как показатель PH=3,3, резкий запах уксусной кислоты и неоднородная кнсинстенция продукта. Предлагается моделировать технологию, применяя менее агрессивные среды и уменьшая концентрацию уксусной кислоты, используя разные топографические участки на примере шкур толстолобика. Для достижения цели необходимо провести дополнительные исследования. В ходе экспериментальных исследований использовали яблочный уксус, образует эмульсии, а они богаты биологически активными веществами[3,4,5]. Уксусная кислота позволяет добиться высокой влагоемкости и быстрого впитывания влаги в верхних слоях кожных покровов. При использовании низкой концентрации сохраняется целостность волокон и фибрилопластов. [6,7,8] Это позволяет использовать коллагеновые субстанции в медицине в качестве стимулятора ранозаживления. Особый интерес вызывают пористо-губчитые материалы. Обоснование метода обработки способствует получению структурированного коллагенового продукта, предварительно расширяющий область применения.

Цель работы заключается. совершенствования способа получения коллагенового продукта, обладающего необходимыми характеристиками в исследовании действия органических кислот на свойства получаемых коллагеновых субстанций и для последующего получения губчатых материалов, обладающих высокими показателями влагоемкости.

2. Материалы и методы исследований

Объектами исследования служили шкуры прудовых рыб толстолобика, являющегося ценным источником коллагена [9] а также коллагеновый продукт, полученный путем специальной обработки этих шкур.[10].

В качестве реагентов применялись:

·        кислота уксусная для пищевой промышленности по ГОСТ Р 55982-2014;

·        раствор пероксида водорода по ГОСТ 177-88;

·        гидроксид натрия по ГОСТ Р 55064-2012;

·        кислота лимонная моногидрат пищевая по ГОСТ 908-2004;

·        кислота янтарная по ГОСТ 6341-75;

·        кислота молочная ГОСТ 490-2006;

·        мыло хозяйственное твердое 72% ГОСТ 30266-95;

·        Очищенные шкуры рыб получали согласно методу: Патент РФ № 2358450

Величину рН определяли потенциометрическим методом на pH-метре Edge HI 2002-02 в ЦКП КУЭП ВГУИТ. Вязкость определяли по методу. Который основан на определении отношения времени истечения испытуемого раствора ко времени истечения того же объема воды. Определение проводили на вискозиметре вибрационном SV-10 в ЦКП КУЭП ВГУИТ в соответствии с инструкцией к прибору. Микроскопическое исследования гидрата коллагена проводили на обычном лабораторном микроскопе Eastcolight 92063 без иммерсии. Конденсор микроскопа опущен, диафрагма сужена. В начале материал находят на стекле при малом увеличении (40х), последующее исследование производили при большем увеличении (100х); детально препарат изучали при увеличении 400х и более. Исследования проводили на нескольких материалах с тем, чтобы увеличить надежность анализа и избежать ложноположительных результатов. Система анализа изображений (анализатор изображений) состояли из системы ввода изображений с объективом при макросъемке или установленной на микроскопе при съемке микроскопических объектов, компьютера и программного обеспечения.

3. Результаты исследований

Шкура толстолобика выбрана как объект исследования по причине доступности и дешевизны сырья. Также шкуры толстолобика проявили более высокие показатели количества щелочерастворимых белков и малого содержания жира. Как известно [11,12,13.14.15,16] эта группа белков объединяет протеиноидные белки, главным образом коллагеновые. В целом же массовая доля протеиноидной фракции (щелочерастворимой) варьируется в пределах 84,7 - 90,73% относительно общего содержания белков в объектах исследования [17,18,19,20].На (рисунке 1) представлена фотография гидрата коллагена, полученная по методике патента РФ № 2358450.

Рисунок 1. Увеличенный образец гидрата коллагена выделенного по технологии патента РФ № 2358450.

На рисунке 1 выделены области 1,2- сгустки соединительной ткани, 3,4-постороние включения. Можно видеть, что субстанция имеет неоднородную структуру, ярко выраженную зернистость и включает сгустки плотной структуры соединительной ткани. Это связано с применением на заключительной стадии обработки, 6 % уксусной кислоты, что влечет избыточную агрегацию волокон коллагена. Гидрат коллагена имеет выраженный запах уксусной кислоты, что ограничивает возможность его использования для дальнейших исследований, в области косметологии и медицины. Показатели PH низкий (ph=3.3) что недопустимо для обозначенных целей. Увеличения гидромодуля не решает проблемы нивелирования запаха и высокой кислотности среды, (таблица.1.)

Таблица 1Показатели PH гидрата коллагена.

Гидромодуль	Вязкость дисперсии коллагена, мПа/с	Значения PH
1	2	3
Исходный образец	10040	3,4
1:1	1230	3,5
1:2	494	3,6
1:3	20,72	3,9
1:4	19,00	4,0
1:5	18,34	4,2
1:6	17,12	4,3
1:7	10,31	4,5
1:8	8,56	4,7
1:9	6,75	4,9

С целью выбора наиболее рациональных режимов обработки сырья при получении сухих материалов были проведены измерения набухаемости в органических кислотах: лимонная, уксусная, молочная, янтарная с концентрациями: 0,1%,0,3%,0,5%,0,7%,1.0%

Результаты исследований (Рисунок 2) показали, что оптимальная концентрация составляет 0,5%-1%, так как наблюдается наибольший выход продукта. Расход органических кислот снижается в разы (с 6 -12 раз) по сравнении с технологией, зафиксированной в базе сравнения –патенте.

Рисунок 2. Сравнительная характеристика набухаемости шкуры толстолобика в средах различных органических кислот.

Степень набухаемости в различных кислотах при концентрации 0,5% -1,0% отличается незначительно и поэтому для получения устойчивого функционального коллагенового продукта можно использовать любую из исследуемых кислот в зависимости от целевого назначения материала. Нами выбрана уксусная кислота для дальнейших исследований по причине дешевизны реактивов и высокого показателя набухаемости.

С целью повышения влагоемкости высушенных материалов, состоящих в основном из коллагена шкуры рыбы – толстолобика, предложен следующий способ обработки сырья.

Очищенные шкуры рыб отделяли от остатков мышечной ткани и жира, со шкуры вырезали участки в области брюшка и плавников. Для дальнейшей обработки исследовалась средняя часть шкуры, затем промывали водой, выдерживали в мыльном растворе 20-30 минут, затем промывали водой и заливали раствором пероксида водорода и щелочи выдерживали в течении одного часа, затем промывали и заливали раствором яблочного уксуса 1,5% (Рисунок 3),столового уксуса (Рисунок 4 ), и без перексидо-щелочной обработки с использованием 1% уксуса (Рисунок 5), и выдерживали не менее трех суток для разволокнения и набухания.

     (a)

 (b)
                                                                                          

                                                                            

 (с)

Рисунок 3. Гидраты коллагена с использованием органической кислоты, (a) яблочного уксуса 1,5%, (b) с использованием обычного уксуса 1,5%, (с) без использования перексидно-щелочной обработки, обычный уксус 1%..

 

Таблица 3.1 Сравнительная характеристика физико-химических показателей коллагеновых субстанций.

Наименование показателя	Значение показателя рецептур
	1 Яблочный уксус 1,5%	2 Столовый уксус 1,5%	3 Без пероксидно-щелочной обработки с применением столового укуса 1%
Массовая доля сухих веществ	1,8-2,0	2,0-2,1	1,9-2,1 %
Массовая доля золы	0,8	0,75	0,8%
Количество белка методом Кьельдаля	3,14	3,12	3,12
Содержание коллагена по методу Воловинской В.П., от сухого вещества	0,87%	0,87%	0.92%
Величина рН	5,15	5,25	5,95
Коэффициент желатинизации	17-20%	18-20%	20-21%
Вязкость	20.02 мPA/с	20.55 мPA/с	20.75 мPA/с
Органолептические показатели:			-
- внешний вид	Полупрозрачная дисперсия	Полупрозрачная дисперсия	Полупрозрачная дисперсия
- цвет	светло-желтый цвет	От прозрачного до белого цвета	От светло-серого до серого с включением черных точек
- консистенция	Гелеобразная	Гелеобразная	Гелеобразная
- запах	Нейтральный. или со слабо выраженным запахом, характерным для данного вида сырья	Нейтральный. или со слабо выраженным запахом, характерным для данного вида сырья	Нейтральный. или со слабо выраженным запахом, характерным для данного вида сырья
- прозрачность	Полупрозрачный	Полупрозрачный	Мутно- серого оттенка
- вкус	Не анализировался	Не анализировался	Не анализировался

 

 

4. Обсуждение результатов

На рисунке 3, 1,2,3 области, в которых видно, что фибриллы коллагена более разволокненные и меньше участков, где волокна подвергаются скручиванию и слипанию в отличии от образца 6% концентрацией уксусной кислоты. (рисунок (b)). Отсутствует слипание и скручивание волокон в областях 1,2, фибриллы равномерно распределены в растворе (область 3), отсутствуют сгустки и посторонние включения. Как видно на рискнке (c) в области 1 наблюдается скопления коллагеновых волокон, в области 2 не разволокненное эластиновое волокно. Отсутствие пероксидно-щелочной обработки и уменьшение концентрации кислоты что приводит к уменьшению деструкции волокон коллагена что позволяет сохранить природные свойства волокна. Предварительно обработанные шкуры гомогенизировали при гидромодуле 1:3 с дистиллированной водой. Все три эмульсии отличались органолептически и визуально. В образце 1 с использованием яблочного уксуса гидрат имеет отличительный яблочный запах и желтоватый цвет, а так же более вязкую структуру 20.02 мPA/с, со значением PH=5.15. В образце 2 с использованием обычного уксуса наблюдалась вязкость 20.55 мPA/с, со значением PH=5.25. А в образце 3 без использования пероксидно-щелочной обработки наблюдались посторонние включения, общая структура эмульсии однородна с показателем вязкости 20.75 мPA/с, со значением PH=5.95. Более высокое значение PH объясняется использованием меньшей концентрации кислоты. Полученные коллагеновые основы открывают перспективы получения сухих продуктов и основ коллагенновой природы, таких как губки, пленки и порошки, которые найдут широкое применение в косметологии, и медицине.

5. Заключение

Обоснован состав и количество компонентов, необходимых для получения коллагенового продукта с заданными свойствами. Разработаны три рецептуры получения коллагенового продукта. Изучены показатели эмульсий, необходимые для дальнейшего получения сухой продукции в виде губок, пленок и порошков. Реализование технических решений в технологическом процессе изготовления коллагенового продукта при уменьшение массовой доли органической кислоты, и контурировании шкур уплотненных участков приплавниковой зоны способствовало улучшению качественных показателей конечных продуктов.

 

Список литературы

 

[1] Антипова Л.В., Сторублевцев С.А. 2010.Биотехнология коллагеновых пищевых ингредиентов. Мясная индустрия.. 6..16-18.

[2] Антипова Л. В., Сторублевцев С. А. Сравнительные свойства коллагеновых белков рыбного и животного происхождения. Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2016.. 4..37-41.

[3] Пат,№.2139937,RU РФ C14C13/00, C14C1/08, C08H1/06 Способ обработки коллагеносодержащего сырья . Титов А.О., Титов О.П., Хантургаева В.Г., Кожевникова Н.М., Хантургаева Г.И.; №98122080/12; Заявл.07.12.1998; опубл. 20.10.1999

[4] Киладзе А.Б. Рыбные отходы ценное сырье 2014.Рыбное хозяйство.. 3.С.58.

[5]Batechko S.A. kollagen.2010.. Novaja strategija sohranenijazdorovja i prodlenija molodosti. Kolechkovo, p. 244

[6] Pal G. K., Suresh P. V. 2016 Sustainable valorisation of seafood by-products: recovery of collagen and development of collagen-based novel functional food ingredients .Innovative Food Science & Emerging Technologies...37.p. 201-215.

[7]Борискина, Е.П. 2006. Физические факторы стабильности трехспиральных структур коллагенового типа. Биополимеры и клетка, , 6. 458-467.

[8] Miller E. J. Collagen types: Structure, distribution, and functions 2018.Collagen. CRC Press,. p.139-156.

[9] Спиридонова М.В., Дворянинова О.П., 2016.Продукты разделки толстолобика - как источник белка в технологии кормопроизводства. Международный студенческий научный вестник.. 3(1). 136-137.

[10]Глотова, И.А. Ряжских И.А.2012. Получение функциональных дисперсных систем на основе коллагеновых белков: формализованный подход к описанию тепло-массообменных процессов. Фундаментальные исследования. 11(2)..p 383-388

[11] Bechir, A. Sirbu R Leca M.. 2008.The Nanobiotechnology of Obtaining of Collagen Gels from Marin Fish Skin and Yours Reological Properties for using Like New Materials in Dental.Medicine International Journal of Medical, Health, Biomedical, Bioengineering and Pharmaceutical Engineering:2(6), , p. 190-196

[12] Sergey V. Nicolas S 1999.Kinetic methods to study isothermal and nonisothermal epoxy-anhydride cure. Macromolecular Chemistry and Physics p 77-84

[13] Ben-Niam A, 1990. Biopolymers. 29. p. 567.

[14] Branden, C., Tooze J. 1991.Introduction to Protein Structure. New York, London: Garland Publ., Inc. 12(3) p 122

[15] G. V. Pavlov, E. V. Korneeva, S. E. 1998 Harding Dilute solution properties of carboxymethylchitins in high ionic- strength solvent [et al.] .Polymer 39(39). p. 6951-6961.

[16] Dyson, J. H., Wright PE. 1991. Ann. Rev. Biophys. Biophys. Chem. 20. p. 519.

[17] G. A. Vikhoreva, V. G. Babak, I. G. Lukina 1998.Structure of acetylpyridinium chloride-carboxymethyl chitin complexes Polymer Science. Ser. A. 40(2), p. 201-205.

[18] Su, J. Y., Hodges R. S., Kay С. M.1994. Biochemistry. 33. p. 155.

[19] C. G. Sotelo, М. B. Comesana, P. R. Ariza 2016.Characterization of Collagen from Different Discarded Fish Species of the West Coast of the Iberian Peninsula. J. of Aquatic Food Product Technology. 25(3). p. 388-399

[20] ChenXiu-Lan, Peng Ming, Li Jing 2017.Preparation and functional evaluation of collagen oligopeptide- rich hydrolysate from fish skin with the serine collagenolytic protease from Pseudoalteromonas sp. SM9913. Scientific Reports. 7. p 222-233